CC BY
75
УДК 551.345:528.88
Н. А. Брыксина, Ю. М. Полищук, В. И. Булатов
ЛАНДШАФТНО-КОСМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ПОЛЕЙ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР В ЗОНЕ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Рассмотрены методические вопросы исследования динамики термокарстовых озерных ландшафтов на территории многолетней мерзлоты севера Западной Сибири на основе использования результатов дистанционного зондирования и ГИС-технологий. Приведены данные об относительном изменении суммарной площади термокарстовых озер за 35-летний период в различных ландшафтных зонах и подзонах и обсуждены возможные причины этого изменения.
Ключевые слова: климатические изменения, многолетняя мерзлота, термокарстовые озерные ландшафты, космические снимки.
Исследование состояния многолетних мерзлых пород (ММП) на территории севера Западной Сибири в условиях наблюдаемых климатических изменений становится все более актуальным: здесь расположены почти все газовые и большинство нефтяных месторождений региона [1]. Снижение прочности многолетнемерзлых пород вследствие глобального потепления, вызывающего активизацию термокарстовых процессов, приводит к росту аварийности на трубопроводах и других сооружениях нефтегазового комплекса, большим экономическим и экологическим ущербам [2; 3]. В этих условиях изучение изменений ММП и особенностей динамики мерзлотных ландшафтов является проблемой, решение которой вследствие высокой степени заболоченности и труднодоступности территории невозможно без применения данных дистанционного зондирования поверхности Земли.
Анализ литературных источников по использованию таких данных в геокриологических исследованиях показал, что хорошо дешифрируемые на космических снимках термокарстовые озера являются наиболее информативными индикаторами современных тенденций развития криолитозоны, криогенных изменений рельефа и функционирования мерзлотных ландшафтов [4-6]. Дистанционные исследования термокарстовых озер проводятся как в России, так и за рубежом [7-10]. Однако в большинстве случаев исследование динамики термокарста ограничивается мелкомасштабным качественным анализом тенденций изменения площадей и количества озер по природным провинциям, геокриологической интерпретацией полученных результатов исследований. Целью настоящей работы является проведение средне- и крупномасштабного (на ключевых участках) ландшафтного анализа размещения термокарстовых озер с учетом количественных данных о динамике их полей, полученных путем дистанционных измерений площадей распространения по северу Западной Сибири с использованием разновременных космических снимков.
Для проведения исследования динамики площадей термокарстовых озер на территории Западной Сибири было выбрано 30 тестовых участков. Их выбор проводился с учетом специфики зонально-ландшафтной дифференциации территории, включавшей в себя до 1993 г. ныне самостоятельные субъекты Российской Федерации - Ямало-Ненецкий (ЯНАО) и Ханты-Мансийский (ХМАО-Югра) автономные округа [11]. В каждой ландшафтной зоне (подзоне) выбиралось по несколько тестовых участков (рис. 1), позволяющих исследовать закономерности изменения термокарстовых
57°30'0"Е 70°0'0"Е 82°30,0"Е
70°0'0"Е 82°Зи'0"Е
Рис. 1. Карта-схема ландшафтного районирования территории севера Западной Сибири с обозначенными границами тестовых участков [11]
процессов в зависимости от ландшафтной специфики и природного районирования территории. Расположение тестовых участков по ландшафтным зонам дано в табл. 1.
Таблица 1 Распределение тестовых участков по ландшафтным зонам (подзонам)
Ландшафтные зоны (подзоны)
Арктическая тундра
Типичная тундра
Южная тундра
Лесотундра
Северная тайга
Средняя тайга
Количество ТУ
Номера ТУ
ТУ-27 - ТУ-30
ТУ-23 - ТУ-26
ТУ-20 - ТУ-22
ТУ-19 - ТУ-18
ТУ-9 - ТУ-17
ТУ-1 - ТУ-8
Номер ТУ Космические снимки (съемочная система) Даты съемки
Landsat-1 (MSS) 16.06.1973
Landsat-5 (MSS) 04.09.1984
5 Landsat-4 (TM) 26.06.1988
Landsat-7 (ETM) 11.09.2001
Landsat-7 (ETM) 19.05.2003
Landsat-5 (TM) 19.08.2007
Landsat-5 (TM) 21.08.1987
8 Landsat-7 (ETM) 10.08.2001
Landsat-5 (TM) 25.08.2006
Величина относительного изменения суммарной площади определялась в виде:
R = и Sн) / Si, (1)
где Sк и SН - суммарные площади озер на тестовом участке в конечный и начальный годы исследования соответственно.
Исследования динамики полей термокарстовых озер проведены с использованием разновременных космических снимков Landsat за период 1973-2008 гг. На каждый из тридцати тестовых участков имелось от трех до шести безоблачных снимков Land-sat. Для примера в табл. 2 приведены сформированные коллекции разновременных безоблачных снимков Landsat, подобранных на тестовые участки ТУ-5 (6 снимков) и ТУ-8 (3 снимка). Всего на тридцать тестовых участков было собрано 106 снимков, которые получили из архива Global Land Cover Facility.
Таблица 2 Характеристика коллекции снимков Landsat на примере двух тестовых участков
Обработка космических снимков сделана с использованием стандартных средств геоинформа-ционной системы ENVI 4.4. На каждом из тестовых участков определялось от нескольких сотен до нескольких тысяч термокарстовых озер различных размеров. На рис. 2 показаны фрагменты разновременных космических снимков Landsat, представляющие последовательные стадии изменения площади термокарстовых озер на тестовом участке 9 [12].
По результатам измерения площадей озер был проведен количественный анализ изменения площадей озер во времени по ландшафтным зонам (подзонам). На каждом из тридцати участков рассчитали суммарные площади озер в разные годы наблюдений и определили абсолютные и относительные величины их изменения за период наблюдения (1973-2008).
а) б) в) г)
Рис. 2. Фрагменты космических снимков Landsat с изменениями площади водной поверхности озер во времени: а) Landsat-1 (10.08.1973); б) Landsat-5 (26.06.1988); в) Landsat-7 (10.08.2001); г) Landsat-7 (19.08.2007)
На рис. 3 приведена диаграмма величин относительного изменения суммарной площади озер ^), усредненных по тестовым участкам, расположенным в различных ландшафтных зонах (подзонах). Как видно из рис. 3, увеличение суммарной площади озер наблюдается только в двух подзонах: арктической (+3.6 %) и типичной (+7 %) тундры. В ландшафтных зонах (подзонах) южной тундры, лесотундры, северной и средней тайги значение величины R<0, следовательно, в них преобладают процессы, вызывающие сокращение суммарной площади озер. Так, величина относительного изменения суммарной площади озер в зоне лесотундры и подзоне южной тундры составляет -11.1 % и -9 % соответственно.
Таким образом, в большинстве ландшафтных зонах и подзонах наблюдается сокращение суммарных площадей озер. По мнению А. А. Земцова [13], сокращение площадей озер может быть обусловлено новейшими тектоническими движениями отдельных блоков территории, вызывающими полное или частичное осушение котловин озер. Если же озерная система или отдельные крупные озера находятся в пределах уплощенных фрагментов центральной части равнины, то существенного осушения озер может не произойти, так как эта часть поднимается равномерно, захватывая всю их систему.
Для оценки влияния рельефа на динамику полей термокарстовых озер был проведен анализ изменения суммарной площади озер на участках в зависимости от пространственного распределения основных орографических элементов рельефа (рис. 4). По его показаниям, на возвышенностях на большом количестве тестовых участков наблюда-
Арктическая 3 тундра
S О го
^ Типичная тундра
д Южная тундра
О *
А Лесотундра
-8-
вв
!=| Северная тайга
^ Средняя тайга
-15% -10% -5% 0% 5% 10%
К, %
Рис. 3. Среднее значение относительного изменения суммарной площади озер в ландшафтных зонах и подзонах
ется сокращение суммарной площади термокарстовых озер в среднем на 6.5 %. На пониженных территориях, наоборот, на многих участках отмечается увеличение суммарной площади озер. Так, величина относительного роста суммарной площади озер, усредненная для группы участков, расположенных на понижениях, в среднем составляет 1.2 %.
Другие причины сокращения озер рассмотрены в работах некоторых ученых [7; 9; 15]. Возможными причинами сокращения могут быть почвенный дренаж при оттаивании мерзлоты при повышении температуры почвы как следствие потепления климата либо транспирация (испарение) растительностью, интенсивность которой возрастает с повышением температуры воздуха [9]. В. И. Кравцов и А. Г. Быстрова совершенно правильно указывают, что наблюдения за динамикой термокарстовых озер следует проводить, охватывая весь спектр разнообразных условий развития термокарста [7].
Есть еще один из возможных механизмов спуска воды из термокарстовых озер за счет почвенного дренажа: крупные озера, как правило, старые с низким уровнем водного зеркала по сравнению с окружающими мелкими озерами, создают условия для спуска воды из мелких озер в соседние, более крупные за счет почвенного дренажа при оттаивании почвы. Так как при этом размер крупного озера мало изменяется, то общая площадь озер в среднем уменьшается из-за осушения соседних мелких неглубоких озер. Этот фактор действует постоянно на протяжении всего короткого летнего периода, при этом крупные озера работают как водосборные емкости [15].
57°30(ГЕ КЯО'О'Е 82°30'0"Е 95°0’0’’Е
70°0’0”Е 82°30’0’’Е
Рис. 4. Карта-схема основных орографических элементов рельефа Западно-Сибирской равнины [14], совмещенная с границами тестовых участков Дренаж озер может являться показателем усиления заболоченности территорий по принципу регрессивно-топяной эволюции, когда в результате самоподтопления торфяника процесс торфо-образования возобновляется. Это положение рассмотрено К. Е. Ивановым и С. М. Новиковым [16], оно предполагает: спуск болотных озер в результате русловой эрозии внутриболотных ручьев и рек; неравномерную эрозию берегов озер и увеличение их акваторий за счет слияния соседних крупных озер; обмеление, возобновление зарастания озер и наступление болот на суходолы. Все это создает сложную картину коэволюции озерных термокарстовых и грядово-мочажинно-озерных болотных ландшафтов. В. И. Кравцова особо отметила распространение подобных процессов на склонах Сибирских Увалов и в подзоне островной мерзлоты в целом [7].
Список литературы
1. Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов / под ред. Е. С. Мельникова, С. Е. Гречищева. М.: ГЕОС. 2002. 402 с.
2. Анисимов О., Лавров С. Глобальное потепление и таяние вечной мерзлоты: оценка рисков для производственных объектов ТЭК РФ // Технологии ТЭК. 2004. № 3. С. 78-83.
3. Инишева Л. И., Сергеева М. А. Условия образования и эмиссия метана в олиготрофных ландшафтах Васюганского болота // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2006. Вып. 6 (57). С. 54-60.
4. Косых Н. П., Миронычева-Токарева Н. П., Паршина Е. К. Биологическая продуктивность болот лесотундры Западной Сибири // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2008. Вып. 4 (78). С. 53-57.
5. Мельников Е. С., Вейсман Л. И., Крицук Л. Н. Ландшафтные индикаторы инженерно-геокриологических условий севера Западной Сибири и их дешифровочные признаки. М.: Недра. 1974. 132 с.
6. Некрасов И. А., Петропавловская М. С. Опыт применения космических снимков для геокриологического картирования // Исслед. Земли из космоса. 1983. № 2. С. 14-20.
7. Кравцова В. И., Быстрова А. Г. Изучение динамики термокарстовых озер России // Геоинформатика. 2009. № 1. С. 44-51.
8. Махатков И. Д. Динамика озерных берегов в криолитозоне Западной Сибири на космических снимках // Горн. информ.-аналит. бюлл. 2009. Отд. вып. 17: Кузбасс-2. С. 221-224.
9. Riordan B., Verbyla D., McGuire A. D. Shrinking ponds in subarctic Alaska based on 1950-2002 remotely sensed images // J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. G04002, doi:10.1029/2005JG000150
10. Smith L. C., Sheng Y., MacDonald G. M., Hinzman L. D. Disappearing Arctic Lakes // Science. 2005. Vol. 308. № 3. P. 14.
11. Атлас Тюменской области / отв. ред. Л. А. Галкина. М. Тюмень: ГУГК. 1971. Вып. 1. 216 с.
12. Брыксина Н. А., Евтюшкин А. В., Полищук Ю. М. Изучение динамики изменений термокарстовых форм рельефа с использованием
космических снимков // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2007. Т. 4. № 2. С. 123-128.
13. Земцов А. А. Геоморфология Западно-Сибирской равнины (северная и центральная части). Томск: Изд-во Том. ун-та. 1979. 343 c.
14. Воскресенский С. С. Геоморфология Сибири. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1962. С. 166-168.
15. Kirpotin S. et al. One of the possible mechanisms of thermokarst lakes drainage in West-Siberian North // Int. J. Envir. Studies, 2008. Vol. 65.
№ 5. P. 631-635.
16. Иванов К. Е., Новиков С. М. Болота Западной Сибири: их строение и гидрологический режим. Л.: Гидрометеоиздат. 1976. 446 с.
Брыксина Н. А., ведущий программист.
Югорский научно-исследовательский институт информационных технологий.
Ул. Мира, 151, Ханты-Мансийск, Ханты-Мансийский автономный округ - Югра, Россия, 628011.
E-mail: [email protected]
Полищук Ю. М., доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры.
Югорский государственный университет.
Ул. Чехова, 16, Ханты-Мансийск, Ханты-Мансийский автономный округ - Югра, Россия, 628012.
Булатов В. И., доктор географических наук, профессор, профессор кафедры.
Югорский государственный университет.
Ул. Чехова, 16, Ханты-Мансийск, Ханты-Мансийский автономный округ - Югра, Россия, 628012.
Материал поступил в редакцию 25.01.2012.
N. A. Bryksina, Y. M. Polishchuk, V I. Bulatov LANDSCAPE-SPACE ANALYSIS OF DYNAMICS THERMOKARST LAKES FIELDS IN zONE PERMAFROST OF wEST SIBERIA
Methodological questions of thermokarst lakes landscape dynamics in West Siberian permafrost territory based on remote sensing data and GIS-tools are considered. The data about relative change of thermokarst lake total area are given for 35-year period in different landscape zones and subzones. Possible factors of thermokarst lake areas change are discussed.
Key words: Changes climatic, permafrost, thermokarst lake landscapes, space shots.
Bryksina N. A.
Ugra Research Institute of Information Technologies.
Ul. Mira, 151, Khanty-Mansiysk, Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug - Ugra, Russia, 628011.
E-mail: [email protected]
Polishchuk Y M.
Ugra State University.
Ul. Chekhova, 16, Khanty-Mansiysk, Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug - Ugra, Russia, 628012.
E-mail: [email protected]
Bulatov V. I.
Ugra State University.
Ul. Chekhova, 16, Khanty-Mansiysk, Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug - Ugra, Russia, 628012.
E-mail: [email protected]
